JP2582266Y2

JP2582266Y2 - バーナ部が缶水面下に位置する二段燃焼式の燃焼室を有するボイラ

Info

Publication number: JP2582266Y2
Application number: JP1993002206U
Authority: JP
Inventors: 孝一松井
Original assignee: Takuma KK
Current assignee: Takuma KK
Priority date: 1993-02-01
Filing date: 1993-02-01
Publication date: 1998-09-30
Anticipated expiration: 2008-02-01
Also published as: JPH0665707U

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本考案は、バーナ部が缶水面下に
位置する二段燃焼式の燃焼室を有するボイラに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、燃焼室における窒素酸化物（Ｎ
Ｏｘ）の発生を低減させる燃焼方式としては、排ガス循
環燃焼方式，水添燃焼方式，水蒸気噴射燃焼方式がよく
知られているが、次のような問題がある。

【０００３】すなわち、排ガス循環燃焼方式は、排ガス
の一部をバーナ部に再循環して酸素分圧を下げることに
よって低ＮＯｘ化を図るものであるが、燃焼用送風機に
より排ガスを強制循環させる場合、火炎の不安定や燃焼
用空気系の汚れ等を避けるために、排ガス再循環量を或
る程度以上増大させることができず、充分な低ＮＯｘ化
を図り得ない。また排ガスを自己循環させる場合、低負
荷条件下では排ガスの再循環率が低下するために、効果
的な低ＮＯｘ化を図り得ない。さらに、何れの場合にも
送風機能力を必要以上に高くしておく必要があり、コス
ト面での問題もある。

【０００４】また、水添燃焼，水蒸気噴射燃焼方式は、
燃焼室に水，水蒸気を吹き込んで火炎温度を下げること
によって低ＮＯｘ化を図るものであるが、水添燃焼方式
では、水の吹き込みにより缶体腐食が生じる虞れがあ
り、ボイラ効率も低下する。さらに、ポンプ等の水吹き
込み装置が別途必要となり、コスト面でも問題がある。
また、水蒸気噴射燃焼方式では、ボイラの発生蒸気を利
用すると、ボイラ効率が低下し、ボイラの発生蒸気を利
用しない場合或いは利用できない場合には、蒸気発生装
置等が別途必要となり、大幅なコストアップとなる。

【０００５】そこで、本考案者は、先に、特願平４−１
０３０１８号に開示される如く、二段燃焼バーナによる
燃焼方式を開発した。すなわち、燃焼室内において、理
論燃焼空気量より少ない一次空気を旋回流をなして供給
させることにより一次燃焼させると共に、この一次燃焼
部の下流側に一次空気量より多い二次空気を供給させる
ことにより二次燃焼させるのである。かかる二段燃焼方
式によれば、上記した如きボイラ機能上，コスト上での
問題を生じることなく、ＮＯｘの発生を大幅に低減する
ことができ、しかも煤塵，ＣＯの発生も効果的に抑制す
ることができる。

【０００６】而して、かかる二段燃焼方式を、温水ボイ
ラや炉筒煙管ボイラの如きバーナ部が缶水面下に位置す
る燃焼室を有するボイラに適用した場合、バーナスロー
トリングや二次空気ノズル等の熱損を防止するために、
二段燃焼バーナを取付ける燃焼室端部壁をボイラ本体外
に臨ませた耐火構造物に構成しておくのが普通である。

【０００７】

【考案が解決しようとする課題】しかし、このようにバ
ーナ取付部をボイラ本体外に臨む耐火構造物としておく
と、どうしても全体構造が複雑化，大型化することにな
り、近時の軽量化，コンパクト化といった要請を満足さ
せることができない。しかも、耐火構造物は、その材質
上、寿命（一般に４〜５年）があり、定期的に補修する
必要がある。

【０００８】本考案は、バーナ部が缶水面下に位置する
燃焼室を有する温水ボイラ等において、このような問題
を生じることなく二段燃焼方式を採用することができ、
高負荷燃焼においても大幅なＮＯｘ低減を図りうるボイ
ラを提供することを目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本考案は、上記の目的を
達成すべく、缶水を貯留する金属板壁構造のボイラ本体
と、缶水面下に位置するボイラ本体壁部分に近接対向す
る金属板製の燃焼室端部壁を有して、缶水中に全体が浸
漬する状態で配置された金属板壁構造の燃焼室と、燃焼
室に取付けられた二段燃焼バーナとを具備するボイラを
提案する。かかるボイラにおいて、二段燃焼バーナは、
燃焼室の軸線に一致して配置された金属製筒体からなる
バーナスロートリングと、ボイラ本体壁部分に取り付け
られた風箱と、風箱に設けられた一次空気供給機構と、
二次空気供給室の前記周壁部分と燃焼室端部壁とに缶水
中を通過する状態で貫通固着された金属製筒体からなる
複数の二次空気ノズルと、風箱に設けられた二次空気供
給機構とを具備するものである。而して、バーナスロー
トリングは、ボイラ本体壁部分を貫通して燃焼室端部壁
の中心孔部に固着されており、風箱の内部は、バーナス
ロートリングに連通する一次空気供給室とボイラ本体壁
部分で兼用構成された周壁部分を有する二次空気供給室
とに区画されており、一次空気供給機構は、一次空気供
給室からバーナスロートリングに供給させる一次空気量
を理論空気量以下に制御すると共に一次空気をバーナス
ロートリングから燃焼室にスワール数０．３〜０．６の
旋回流をなして供給するものであり、複数の二次空気ノ
ズルは、バーナスロートリングの周辺環状領域に、二次
空気を一次空気による一次燃焼部の下流側中心に向けて
噴出させるべく且つ当該二次空気ノズル群からの噴出空
気流がその上流側においては相互に干渉しないように、
燃焼室の軸線に対して傾斜された状態で所定間隔を隔て
て配置されており、二次空気供給機構は、二次空気ノズ
ルから燃焼室に一次空気量より多い二次空気を供給する
ものである。なお、スワール数とは、後述する如く定義
される旋回の度合をいう。

【００１０】

【作用】二次空気を燃焼室に吹き込むことにより、一次
燃焼ガスの再循環領域の下流側において拡散燃焼による
二次燃焼部が形成され、燃焼室内での完全燃焼が達成さ
れることになる。このとき、複数の二次空気ノズルを上
記した如く配置しておくと、一次空気及び二次空気の供
給により、上流側においては還元炎と酸化炎とが明瞭に
区別されて混在し、下流側に至るに従ってこれら両炎が
徐々に拡散，混合していく状態で二段燃焼され、高負荷
条件下においてもＮＯｘを効果的に低減することがで
き、ＣＯ，煤塵の発生も良好に抑制することができる。
しかも、燃焼室の周壁全体が缶水に接する水冷壁となる
ため、火炎の冷却によりサーマルＮＯｘの低減を効果的
に図ることができる。そして、バーナスロートリング及
び二次空気ノズル等のバーナ構成部材の周辺領域は缶水
領域であるから、耐火構造物としておかずとも、これら
の部材が熱損するようなことがない。したがって、バー
ナが取り付けられる燃焼室端部壁が、ボイラ本体内に位
置する金属板製のものとしても何ら支障はない。その結
果、燃焼室全体を、耐火構造部分を全く含まない金属板
壁構造としてボイラ本体内に配置しておくことができ、
一次空気をスワール数０．３以上（０．６以下）の旋回
流をなして供給することよって火炎の長大化を防止する
ことができることとも相俟って、軽量化，コンパクト化
を図ることができる。また、寿命のある耐火構造物を不
要とすることから、その定期的な補修を必要とせず、保
守管理費を含むコスト面でも有利となる。

【００１１】

【実施例】以下、本考案の構成を図１〜図３に示す実施
例に基づいて具体的に説明する。

【００１２】この実施例のボイラは、図１に示す如く、
ボイラ本体１と火炉たる燃焼室２と二段燃焼バーナ３と
を具備する温水ボイラ（出力：５０万Ｋｃａｌ／ｈ、火
炉負荷：約２５０万Ｋｃａｌ／ｍ³ｈ、バーナ制御方
式：３位置制御）のものである。

【００１３】ボイラ本体１は、図１に示す如く、缶水４
を貯留せる金属板壁構造のものである。燃焼室２は、図
１及び図２に示す如く、缶水４中に全体が浸漬した状態
で配置された金属板壁構造の円筒体（内径５５０ｍｍ，
軸長９００ｍｍ）である。バーナ３が取り付けられる燃
焼室端部壁は金属製の皿形鏡板２ａに構成されており、
この鏡板２ａは缶水面下に位置するボイラ本体壁部分た
る缶板部分１ａに近接対向せしめられている。

【００１４】二段燃焼バーナ３は、図１に示す如く、風
箱５とバーナスロートリング６と二次空気供給機構７と
一次空気供給機構８と複数の二次空気ノズル９…とを具
備する。

【００１５】風箱５は、図１に示す如く、缶板部分１ａ
の外面に取り付けられており、内部を、燃焼室２の軸線
に一致する円形（外径３６０ｍｍ）の一次空気供給室１
１とこれを同心状に囲繞する円環形（外径４６０ｍｍ）
の二次空気供給室１２に区画してある。一次空気供給室
１１はバーナスロートリング６に連通されており、二次
空気室１２の内側壁たるノズル取付部１２ａは缶板部分
１ａで兼用構成されている。

【００１６】バーナスロートリング６は、図１及び図２
に示す如く、燃焼室２の軸線に一致させて一次空気供給
室１１の内側壁１１ａに取り付けられた金属製筒体であ
り、ノズル取付部１２ａを貫通して鏡板２ａの中心孔部
に固着されている。バーナスロートリング６はノズル取
付部１２ａ及び鏡板２ａに溶接により固着されている。
バーナスロートリング６内には、燃料噴霧ノズル１３，
コーン１４，コーンスロートリング１４ａ，ディフュー
ザ（保炎板）１５，点火電極（図示せず）が配設されて
いる。なお、ノズル１３のノズルホルダ１３ａを複数の
芯出しガイド１６…によりコーンスロートリング１４ａ
に支持させるようにして、ノズル１３の芯出しを正確且
つ容易に行いうるように図っている。

【００１７】二次空気供給機構７は、図１及び図３に示
す如く、二次空気供給室１２に空気供給ダクト１７を連
通接続すると共に、このダクト１７にモータ１８により
開度制御される風量自動制御ダンパ１９を配設して、送
風機（図示せず）によりダクト１７から二次空気供給室
１２に供給される空気量を燃焼負荷に応じて自動制御す
るように構成されている。この実施例では、この空気量
（空気比）を１．２〜１．５の範囲で制御している。

【００１８】一次空気供給機構８は、図１及び図３に示
す如く、一次空気供給室１１を二次空気供給室１２に連
通させ、その連通部１１ｂに手動ダンパ２０を配設する
と共に、二次空気供給室１２とバーナスロートリング６
との連通部に旋回ベーン２１…をバーナスロートリング
６の外周に沿って並列配置してなる。すなわち、二次空
気供給室１２に供給された二次空気１０ａの一部を連通
部１１ｂから一次空気供給室１１に導いて、これを一次
空気１０ｂとしてバーナスロートリング６から燃焼室２
に供給させるのであり、燃焼室２には旋回ベーン２１…
により一次空気１０ｂが旋回流をなして供給されるよう
になっている。また、ダンパ２０の開度は人為的に調節
されるもので、予め設定された開度に固定されるもので
あるが、前記自動ダンパ１９による空気制御量を考慮し
て、燃焼室２に供給される一次空気量が理論空気量以下
となるように設定される。この実施例では、一次空気量
が理論燃焼空気量に対して０．２〜０．６となるように
設定してある。なお、手動ダンパ２０が配設される連通
部１１ｂは、４０×１１０ｍｍの矩形断面をなしてい
る。ところで、一次空気１０ｂのスワール数Ｓはスロー
トリング径，旋回ベーン２１の形状等によって決定さ
れ、次のような理由から０．３〜０．６となるように設
計されている。すなわち、スワール数Ｓが０．３未満で
あると、火炎が長大になって、燃焼室２が大型化し、
０．６を超えると、ノズル１３からの噴霧燃料が燃焼室
２の周壁に衝突して、カーボン化する虞れがあるからで
ある。ここに、スワール数とはＳ＝Ｇφ／（Ｇｘ／（ｄ
／２））で定義される旋回の度合をいう（Ｇφ：噴流内
の角運動量，Ｇｘ：噴流内の軸線方向運動量，ｄ：バー
ナスロートリングの直径）。

【００１９】このように、一次空気供給機構８により一
次空気１０ｂが理論燃焼空気量より少ない状態で供給さ
れることから、点火電極の放電により燃料噴霧ノズル１
３からの噴霧燃料（この実施例では灯油）に着火させる
と、燃焼室２においては還元燃焼且つ気化燃焼をなす一
次燃焼部１０ｃが形成されることになる。しかも、一次
燃焼部１０ｃにおいては一次空気１０ｂが旋回流をなし
て供給されることから、ディフューザ１５による負圧部
の形成とも相俟って、生成した還元ガスたる燃焼ガスが
再循環せしめられて、滞留時間の増大，噴霧油の気化促
進が図られ、安定した燃焼が継続されることになる。ま
た、ディフューザ１５により一次空気１０ｂが均一な旋
回流をなして燃焼室２に供給されることから、ヒートス
ポットの発生を効果的に防止される。さらに、バーナス
ロートリング６の周辺領域が缶水領域であるにも拘わら
ず、コーン１４により火炎が可及的に安定する。これら
のことから、一次燃焼部１０ｃにおけるＮＯｘ低減と火
炎安定とが効果的に実現される。

【００２０】二次空気ノズル９…は、図１及び図２に示
す如く、金属筒（径２１６．３ｍｍ）からなるもので、
バーナスロートリング６と同心をなす周辺環状領域に配
して、燃焼室２と二次空気供給室１２とを連通させるべ
く、鏡板２ａとノズル取付部１２ａとに溶接により貫通
固着されている。これらのノズル９…は、二次空気１０
ａを前記一次燃焼部１０ｃの下流側中心に向けて噴出さ
せるべく、燃焼室２の軸線に対して所定角度θをなす傾
斜姿勢とされている。ところで、ノズル９からの噴出空
気流１０´ａは下流側に向かうに従って漸次拡散されて
いくが、ノズル９…の相互間隔，本数及び傾斜角度θ
は、上記噴出空気流が上流側においては相互に干渉せ
ず、下流側において拡散，相互干渉して、一次燃焼ガス
の再循環領域の下方に入り込むように、一次燃焼ガスの
再循環力，燃焼室２の形状等に応じて適宜に設定され
る。一般には、４，５本のノズル９…をθ＝１０〜３０
°の傾斜姿勢で等間隔配置しておくのが好ましい。この
実施例では、図１及び図２に示す如く、５本のノズル
（口径２７．６ｍｍ）９…を２０°の傾斜姿勢で等間隔
配置してある。

【００２１】このように二次空気１０ａを燃焼室２に吹
き込むことにより、一次燃焼ガスの再循環領域の下流側
において拡散燃焼による二次燃焼部１０ｄが形成され、
燃焼室２内での完全燃焼が達成されることになる。した
がって、上記構成の温水ボイラにあっては、一次空気１
０ｂ及び二次空気１０ａの供給により、上流側において
は還元炎と酸化炎とが明瞭に区別されて混在し、下流側
に至るに従ってこれら両炎が徐々に拡散，混合していく
状態で二段燃焼され、高負荷条件下においてもＮＯｘを
効果的に低減することができ、ＣＯ，煤塵の発生も良好
に抑制することができる。しかも、燃焼室２の周壁が缶
水４に接する水冷壁となるため、火炎の冷却によりサー
マルＮＯｘの低減を効果的に図ることができる。さら
に、バーナ部の寸法精度を、燃焼室端部壁２ａを耐火構
造物とする場合に比して容易に高めることができ、これ
によって更なる低ＮＯｘ化を実現することができる。

【００２２】上記実施例の構成のものにおいて、手動ダ
ンパ２０の開度を１０°，３０°として負荷１００％，
５０％の条件下で燃焼実験を行い、夫々の場合について
ＮＯｘ発生量（ｐｐｍ（Ｏ₂＝０％換算、以下において
同じ）），ＣＯ発生量（ｐｐｍ），スモールスケールＮ
ｏ．（煤塵発生度の主たる指標）を測定した。その結果
は、ダンパ開度を１０°とした場合には図５に示す通り
であり、ダンパ開度を３０°とした場合には図６に示す
通りであった。なお、図５及び図６において、実線は１
００％負荷の場合を示し、鎖線は５０％負荷の場合を示
す。また、ダンパ開度を１０°とした負荷１００％の場
合及びダンパ開度を３０°とした場合におけるスモール
スケールＮｏ．については、何れも０であったため図示
していない。

【００２３】かかる灯油を燃料とした燃焼実験の結果か
らも明らかなように、本考案に係るボイラによれば、Ｎ
Ｏｘ発生量，ＣＯ発生量，スモールスケールＮｏ．の何
れについてもこれらが著しく低減されることが理解さ
れ、更には、都道府県自治体のうち最も厳しい東京都の
規制（油焚きでＮＯｘ＜８０ｐｐｍ，ガス焚きでＮＯｘ
＜６０ｐｐｍ）をも充分クリアすることができ、しかも
将来、油焚きについてもガス焚き並みの規制が行われる
ような場合にも、これに充分対処することができること
が理解される。

【００２４】なお、本考案は上記実施例に限定されるも
のではなく、本考案の基本原理を逸脱しない範囲におい
て適宜に改良・変更することができる。

【００２５】例えば、バーナスロートリング６及び二次
空気ノズル９…が取り付けられる燃焼室端部壁２ａは、
図４に示す如く、平板形状（Ａ図）や截頭円錐板形状
（Ｂ図）としてもよく、その形状は任意である。また、
風箱５において、図４に示す如く、一次空気供給室１１
の内側壁１１ａもボイラ本体壁部分１ａで兼用構成する
ようにしてもよい。

【００２６】また、各空気供給機構８，９の構成も任意
であり、例えば、手動ダンパ２０はオリフィス構造のも
のとしてもよい。また、ダクト１７におけるダンパ１９
の上流側部分と一次空気供給室１１とを連通させ、この
連通部に手動ダンパ２０（又はオリフィス）を配設する
ようにして、一次空気量制御と二次空気量制御とを各別
に行うようにしてもよい。また、一次空気量制御用のダ
ンパ２０も負荷に応じて自動制御されるものとしておい
てもよい。

【００２７】また、本考案は、温水ボイラのみならず、
炉筒煙管ボイラ等、バーナ部が缶水面下に位置する二段
燃焼式の燃焼室を有する各種ボイラに適用することがで
きる。

【００２８】

【考案の効果】以上の説明からも明らかなように、本考
案によれば、バーナ部を構成するための耐火構造物が不
要となり、ボイラの軽量，小形化及び保守管理費等のコ
ストダウンを図ることができる。しかも、二段燃焼によ
るＮＯｘ低減効果を高負荷条件下においても如何なく発
揮させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案に係るボイラの一実施例を示す縦断側面
図である。

【図２】図１のII−II線に沿う断面図である。

【図３】図１のIII−III線に沿う断面図である。

【図４】変形例を示す断面図である。

【図５】ダンパ開度を１０°とした場合における、ＮＯ
ｘ発生量，ＣＯ発生量，スモールスケールＮＯ．につい
ての測定結果を示すグラフである。

【図６】ダンパ開度を３０°とした場合における、ＮＯ
ｘ発生量，ＣＯ発生量，スモールスケールＮＯ．につい
ての測定結果を示すグラフである。

【符号の説明】

１…ボイラ本体、１ａ…缶板部分（ボイラ本体壁部
分）、２…燃焼室、２ａ…鏡板（燃焼室端部壁）、３…
二段燃焼バーナ、４…缶水、５…風箱、６…バーナバー
ナスロートリング、７…二次空気供給機構、８…一次空
気供給機構、９…二次空気ノズル、１０ａ…二次空気、
１０ｂ…一次空気、１０ｃ…一次燃焼部、１０ｄ…二次
燃焼部、１１…一次空気供給室、１２…二次空気供給
室、１２ａ…ノズル取付部（ボイラ本体壁部分で兼用構
成された二次空気室の周壁部分）、１４…コーン、１４
ａ…コーンスロートリング、１５…ディフューザ、１９
…風量自動制御ダンパ、２０…手動ダンパ、２１…旋回
ベーン。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F23C 11/00 F22B 31/00 F23M 5/08

Claims

(57)【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】缶水を貯留する金属板壁構造のボイラ本
体と、缶水面下に位置するボイラ本体壁部分に近接対向
する金属板製の燃焼室端部壁を有して、缶水中に全体が
浸漬する状態で配置された金属板壁構造の燃焼室と、燃
焼室に取付けられた二段燃焼バーナとを具備するボイラ
であり、二段燃焼バーナは、燃焼室の軸線に一致して配置された
金属製筒体からなるバーナスロートリングと、ボイラ本
体壁部分に取り付けられた風箱と、風箱に設けられた一
次空気供給機構と、二次空気供給室の前記周壁部分と燃
焼室端部壁とに缶水中を通過する状態で貫通固着された
金属製筒体からなる複数の二次空気ノズルと、風箱に設
けられた二次空気供給機構とを具備するものであり、バーナスロートリングは、ボイラ本体壁部分を貫通して
燃焼室端部壁の中心孔部に固着されており、風箱の内部は、バーナスロートリングに連通する一次空
気供給室とボイラ本体壁部分で兼用構成された周壁部分
を有する二次空気供給室とに区画されており、一次空気供給機構は、一次空気供給室からバーナスロー
トリングに供給させる一次空気量を理論空気量以下に制
御すると共に一次空気をバーナスロートリングから燃焼
室にスワール数０．３〜０．６の旋回流をなして供給す
るものであり、複数の二次空気ノズルは、バーナスロートリングの周辺
環状領域に、二次空気を一次空気による一次燃焼部の下
流側中心に向けて噴出させるべく且つ当該二次空気ノズ
ル群からの噴出空気流がその上流側においては相互に干
渉しないように、燃焼室の軸線に対して傾斜された状態
で所定間隔を隔てて配置されており、二次空気供給機構は、二次空気ノズルから燃焼室に一次
空気量より多い二次空気を供給するものであることを特
徴とする、バーナ部が缶水面下に位置する二段燃焼式の
燃焼室を有するボイラ。